powderИзвестия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытияPowder Metallurgy аnd Functional Coatings (Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya)1997-308X2412-8767НИТУ "МИСИС"10.17073/1997-308X-2021-4-11powder-628Research ArticleСамораспространяющийся высокотемпературный синтезSelf-Propagating High-Temperature Synthesis (SHS)Опыт получения композиционных материалов системы Ti–Cu–C СВС-процессомObtaining Ti–Cu–C system composite materials by SHS processЦикаревВ. Г.TsikarevV. G.

канд. техн. наук, гл. инженер

620062, г. Екатеринбург, ул. Гагарина, 14, оф. 611

Cand. Sci. (Eng.), chief engineer

620062, Ekaterinburg, Gagarin str., 14, of. 611

tsikarevv@mail.ruФилиппенковА. А.FilippenkovA. A.

докт. техн. наук, ген. директор

620062, г. Екатеринбург, ул. Гагарина, 14, оф. 611

Dr. Sci. (Eng.), general director

620062, Ekaterinburg, Gagarin str., 14, of. 611

mail@nppfan.ruФилипповМ. А.FilippovM. A.

докт. техн. наук, проф. УрФУ

620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19

Dr. Sci. (Eng.), prof.

620002, Ekaterinburg, Mira str., 19

Filma1936@mail.ruАлабушевА. В.AlabushevA. V.

гл. технолог

chief technologist

alabushev.aleks@mail.ruШараповаВ. А.SharapovaV. A.

канд. техн. наук, доцент

620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19

Cand. Sci. (Eng.), lecturer

620002, Ekaterinburg, Mira str., 19

v.a.sharapova@urfu.ruООО «НПП ФАН»РоссияLLC «NPP FAN»Russian FederationООО «НПП ФАН»; ООО «СВС-Композит»РоссияLLC «NPP FAN»; LLC «SVS-Composite»Russian FederationУральский федеральный университет (УрФУ) им. первого Президента России Б.Н. ЕльцинаРоссияUral Federal University (UrFU)Russian FederationООО «СВС-Композит»РоссияLLC «SVS-Composite»Russian Federation20210912202104411Copyright © Цикарев В.Г., Филиппенков А.А., Филиппов М.А., Алабушев А.В., Шарапова В.А., 20212021Цикарев В.Г., Филиппенков А.А., Филиппов М.А., Алабушев А.В., Шарапова В.А.Tsikarev V.G., Filippenkov A.A., Filippov M.A., Alabushev A.V., Sharapova V.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://powder.misis.ru/jour/article/view/628

Цель работы – с помощью СВС-технологии получить износостойкие изделия из композиционных материалов нового типа. С учетом имеющихся данных в научно-технической литературе выбрана система Ti–Сu–C. Экспериментальным сжиганием различных составов СВС-шихт, состоящих из титанового порошка, медного порошка и сажи, выявлены составы, способные гореть при СВС-процессе и обеспечивать получение расплава, содержащего карбид титана и, в качестве связки, куприды титана, имеющие более высокие механические свойства и меньшие температуры плавления, чем чистая медь. Получение модельных образцов изделий в виде втулок наружным диаметром 70 и 110 мм осуществляли путем сжигания СВС-шихты выбранных составов в реакторе с последующим компактированием образующегося расплава при усилии 50–60 т. После электроэрозионной обработки черновой заготовки вырезали образцы для фазового и рентгеноспектрального анализов, а также испытаний на износостойкость. При оптимальном соотношении компонентов СВС-шихт в материале модельных образцов выявлены карбид титана и связка в виде купридов титана разных составов. Путем испытания на изнашивание при скольжении по закрепленному абразиву под удельным давлением 1 МПа определено, что относительная абразивная износостойкость нового материала при твердости 50–52 HRC составляет 1,8–2,0 ед. по сравнению с закаленной инструментальной штамповой сталью Х12МФЛ. Для практической реализации технологии предложен алгоритм расчета составов СВС-шихты новой композиции, при этом его принципом является такое соотношение компонентов, при котором вводимый углерод образует с титаном карбид титана, а вводимый избыточный титан образует с медью куприды титана. Разработанный материал можно рассматривать как перспективный для использования в качестве элементов оборудования, работающих в условиях абразивного изнашивания. По данной разработке получен патент 2691656 (РФ).

 The aim of the research is to obtain wear-resistant products from composite materials of a new type using the SHS technology. The Ti–Cu–C system was selected taking into account the data available in the scientific and technical literature. Various SHS charge compositions consisting of titanium powder, copper powder, and carbon black were experimentally burned to determine compositions that can burn during the SHS process and provide a melt containing titanium carbide and titanium cuprides as a binder featuring higher mechanical properties and lower melting points than pure copper. Model samples of products in the form of bushings with an outer diameter of 70 and 110 mm were produced by burning the SHS charge with selected compositions in a reactor followed by the compaction of the resulting melt with a force of 50–60 t. After the rough workpiece electrical discharge machining, samples were cut out for phase analysis, X-ray spectral analysis, and wear tests. With an optimal ratio of SHS charge components, titanium carbide and a binder in the form of titanium cuprides of different compositions were revealed in the model sample material. Using the method of testing for wear when sliding on a fixed abrasive under a specific pressure of 1 MPa, it was determined that the relative abrasive resistance of the new material at a hardness of 50–52 HRC is 1.8–2.0 units in comparison with the hardened tool and die steel Kh12MFL. In order to implement the technology in practice, an algorithm was developed for calculating the compositions of the newly formulated SHS charge, while its principle is such a ratio of components where the introduced carbon forms titanium carbide with titanium, and the added excess titanium forms titanium cuprides with copper. The developed material can be considered as promising for use as elements of equipment operating under abrasive wear conditions. This development is patented, Patent No. 2691656 (Russian Federation).

СВС-технологиякомпозиционные материалыкарбид титанакуприды титанатвердостьабразивная износостойкостьSHS technologycomposite materialstitanium carbidetitanium cuprideshardnessabrasive resistanceРабота выполнена при поддержке ФГБУ «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» — договор (соглашение) № 1762 ГС1/24296 от 27.12.2016 г.The research was funded by the Federal State Budgetary Institution «Foundation for Assistance to Small Innovative Enterprises in Science and Technology» — Contract (Agreement) № 1762 ГС1/24296 dated 27.12.2016ReferencesМержанов А.Г., Шкиро В.М., Боровинская И.П. Способ синтеза тугоплавких неорганических соединений: А.с. 255221 (СССР). 1967; Пат. 2088668 (Франция). 1972; Пат. 3726643 (США). 1973; Пат. 1321084 (Англия). 1974; Пат. 1098839 (Япония). 1982.Merzhanov A.G., Shkiro V.M., Borovinskaya I.P. Method for the synthesis of refractory inorganic compounds: Author’s Сertificate 255221 (USSR). 1967; Pat. 2088668 (France). 1972; Pat. 3726643 (USA). 1973; Pat. 1321084 (UK). 1974; Pat. 1098839 (Japan). 1982.Концепция развития самораспространяющегося высокотемпературного синтеза как области научно-технического прогресса (Отв. ред. А.Г. Мержанов). Черноголовка: Территория, 2003.The concept of development of self-propagating hightemperature synthesis as a field of scientific and technological progress (Resp. ed. A.G. Merzhanov). Chernogolovka: Territoriya, 2003 (In Russ.).Мержанов А.Г., Юхвид В.И., Боровинская И.П. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез литых тугоплавких неорганических изделий. Докл. АН СССР. 1980. Т. 255. No. 2. С. 336-339.Merzhanov A.G., Yukhvid V.I., Borovinskaya I.P. Selfpropagating high-temperature synthesis of cast refractory inorganic products. Doklady AN USSR. 1980. Vol. 255. No. 2. P. 336-339 (In Russ.).Амосов А.П. Наноматериалы, технологии СВС для триботехнического применения: Обзор. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2016. No. 4. С. 17-33.Amosov A.P. Nanomaterials of SHS technology for tribological applications: А review. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2016. No. 4. P. 17-33. https://doi.org/10.17073/1997-308X2016-4-17-33.Bassani P., Giuliani P., Tuissi A., Zanotti C. Thermomechanical properties of porous NiTi alloy produced by SHS. J. Mater. Eng. Perform. 2009. No. 18. P. 594—599. https://doi.org/10.1007/s11665-009-9493-8.Bassani P., Giuliani P., Tuissi A., Zanotti C. Thermomechanical properties of porous NiTi alloy produced by SHS. J. Mater. Eng. Perform. 2009. No. 18. P. 594—599. https://doi.org/10.1007/s11665-009-9493-8.Bai Y., He X., Li Y., Zhu C., Zhang S. Rapid synthesis of bulk Ti2AlC by self-propagating high temperature combustion synthesis with a pseudo-hot isostatic pressing process. J. Mater. Res. 2009. No. 24. P. 2528—2535. https://doi.org/10.1557/jmr.2009.0327.Bai Y., He X., Li Y., Zhu C., Zhang S. Rapid synthesis of bulk Ti2AlC by self-propagating high temperature combustion synthesis with a pseudo-hot isostatic pressing process. J. Mater. Res. 2009. No. 24. P. 2528—2535. https://doi.org/10.1557/jmr.2009.0327.Hosseini S.A., Alizadeh M., Ghasemi A., Meshkot M.A. Highly porous NiTi with isotropic pore morphology fabricated by self-propagated high-temperature synthesis. J. Mater. Eng. Perform. 2013. No. 22. P. 405—409. https:// doi.org/10.1007/s11665-012-0289-x.Hosseini S.A., Alizadeh M., Ghasemi A., Meshkot M.A. Highly porous NiTi with isotropic pore morphology fabricated by self-propagated high-temperature synthesis. J. Mater. Eng. Perform. 2013. No. 22. P. 405—409. https:// doi.org/10.1007/s11665-012-0289-x.Radek N. Experimental investigations of the Cu—Mo and Cu—Ti electro-spark coatings modified by laser beam. Adv. Manuf. Sci.Technol. 2008. Vol. 32. No. 2. P. 53—68.Radek N. Experimental investigations of the Cu—Mo and Cu—Ti electro-spark coatings modified by laser beam. Adv. Manuf. Sci.Technol. 2008. Vol. 32. No. 2. P. 53—68.Levashov E.A., Kurbatkina V.V., Vorotilo S., Pogozhev Yu.S., Patsera E.I. Prospective SHS composites for high-tempe-rature applications. IOP Conf. Series: Mater. Sci. Eng. 2019. Vol. 558. No. 012025.Levashov E.A., Kurbatkina V.V., Vorotilo S., Pogozhev Yu.S., Patsera E.I. Prospective SHS composites for high-tempe-rature applications. IOP Conf. Series: Mater. Sci. Eng. 2019. Vol. 558. No. 012025.Алабушев В.А., Рожков А.С. Способ получения изделий из композиционных материалов на основе карбида титана: Пат. 1338209 (РФ). 1995.Alabushev V.A., Rozhkov A.S. A method of obtaining products from composite materials based on titanium carbide: Pat. 1338209 (RF). 1995 (In Russ.).Лякишев Н.П. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник в 3 т. М.: Машиностроение, 1997.Lyakishev N.P. Phase diagrams of binary metallic systems: Handbook. Moscow: Mashinostroenie, 1997 (In Russ.).Евстропов Д.А. Формирование структуры и свойств композиционных покрытий системы Cu—Ti на поверхности медных изделий: Автореф. дис. … канд. техн. наук. Волгоград: Волгоградский гос. техн. ун-т, 2016.Evstropov D.A. The formation of the structure and properties of composite coatings of the Cu—Ti system on the surface of copper products: Abstract of the dissertation of PhD. Volgograd: Volgograd State Technical University, 2016 (In Russ.).Гиршов В.Л., Александров А.А., Крупнова И.В., Цеменко В.Н., Часов В.В., Шалашов Е.В. Порошковый износостойкий материал и способ его изготовления: Пат. 2472866 (РФ). 2013.Girshov V.L., Aleksandrov A.A., Krupnova I.V., Tsemenko V.N., Chasov V.V., Shalashov E.V. Powder-wear-resistant material and method for its manufacture: Pat. 2472866 (RF). 2013 (In Russ.).Ермоленко А.В., Филоненко В.П., Каличкина Н.С. Сверхтвердый композиционный материал: Пат. 2108404 (РФ). 1998.Ermolenko A.V., Filonenko V.P., Kalichkina N.S. Superhard composite material: Pat. 2108404 (RF). 1998 (In Russ.).Пашинский В.В., Субботина М.Г. Оценка перспектив создания композиционных материалов на основе Ti—Cu матрицы, упрочненной TiC. Науковi працi ДонНТУ. Металургiя. 2012. Вып. 1 (14)— 2 (15). С. 103—109.Pashinskii V.V., Subbotina M.G. Assessment of the prospects of creating composite materials based on the Ti— Cu matrix hardened by TiC. Naukovi pratsi DonNTU. Metallurgiya. 2012. Iss. 1 (14)—2 (15). P. 103—109 (In Ukr.).Iwai T., Souwa M. Bicycle brake pad and method manufacturing bicycle brace pad: Pat. 0223042 (USA). 2016.Iwai T., Souwa M. Bicycle brake pad and method manufacturing bicycle brace pad: Pat. 0223042 (USA). 2016.Makino A. Fundamental aspects of the heterogeneous flame in the self-propagating high-temperature synthesis (SHS) process. Progr. Energy Combust. Sci. 2001. Vol. 27. Iss. 1. P. 1—74. https://doi.org/10.1016/S03601285(00)00004-6.Makino A. Fundamental aspects of the heterogeneous flame in the self-propagating high-temperature synthesis (SHS) process. Progr. Energy Combust. Sci. 2001. Vol. 27. Iss. 1. P. 1—74. https://doi.org/10.1016/S03601285(00)00004-6.Gennaria S., Tamburini U.A., Maglia F., Spinolo G., Munir Z.A. A new approach to the modeling of SHS reactions: Combustion synthesis of transition metal aluminides. Acta Mater. 2006. Vol. 54. Iss. 9. P. 2343—2351. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2006.01.009.Gennaria S., Tamburini U.A., Maglia F., Spinolo G., Munir Z.A. A new approach to the modeling of SHS reactions: Combustion synthesis of transition metal aluminides. Acta Mater. 2006. Vol. 54. Iss. 9. P. 2343—2351. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2006.01.009.Gennaria S., Maglia F., Tamburini U.A., Spinolo G. SHS (Self-sustained high-temperature synthesis) of intermetallic compounds: effect of process parameters by computer simulation. Intermetallics. 2003. Vol. 11. Iss. 11-12. P. 1355—1359. https://doi.org/10.1016/S09669795(03)00179-1.Gennaria S., Maglia F., Tamburini U.A., Spinolo G. SHS (Self-sustained high-temperature synthesis) of intermetallic compounds: effect of process parameters by computer simulation. Intermetallics. 2003. Vol. 11. Iss. 11-12. P. 1355—1359. https://doi.org/10.1016/S09669795(03)00179-1.Zuccaro G., Lapenta G., Maizza G. Particle in cell simulation of combustion synthesis of TiC nanoparticles. Comput. Phys. Commun. 2004. Vol. 162. Iss. 2. P. 89—101. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2004.05.004.Zuccaro G., Lapenta G., Maizza G. Particle in cell simulation of combustion synthesis of TiC nanoparticles. Comput. Phys. Commun. 2004. Vol. 162. Iss. 2. P. 89—101. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2004.05.004.Sdobnyakov N., Khort A., Myasnichenko V., Podbolotov K., Romanovskaia E., Kolosov A., Sokolov D., Romanovski V. Solution combustion synthesis and Monte Carlo simulation of the formation of CuNi integrated nanoparticles. Comput. Mater. Sci. 2020. Vol. 184. No. 109936. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2020.109936.Sdobnyakov N., Khort A., Myasnichenko V., Podbolotov K., Romanovskaia E., Kolosov A., Sokolov D., Romanovski V. Solution combustion synthesis and Monte Carlo simulation of the formation of CuNi integrated nanoparticles. Comput. Mater. Sci. 2020. Vol. 184. No. 109936. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2020.109936.Филиппенков А.А., Цикарев В.Г., Алабушев А.В. Шихта и способ получения износостойкого материала с ее использованием методом СВС: Пат. 2691656 (РФ). 2018.Filippenkov A.A., Tsikarev V.G., Alabushev A.V. Charge and method of manufacturing wear-resistant material using the SHS method: Pat. 2691656 (RF). 2018 (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.